關(guān)春雨，虞舒琬，王 瑩

（1.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院光電信息科學(xué)與工程，遼寧 沈陽 110158；2.沈陽極束精密光學(xué)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

隨著高能激光的廣泛應(yīng)用，激光的調(diào)制和安全問題引起了人們的重視。在激光應(yīng)用系統(tǒng)中，通常需要將激光功率通過衰減器衰減后才能進(jìn)行使用或測量。同樣，在激光薄膜損傷閾值研究領(lǐng)域，對激光能量的衰減控制是重要的器件之一。激光衰減器的作用是在激光能量強時將衰減器推進(jìn)光路，實現(xiàn)光強的衰減；在激光能量弱時退出光路，不衰減光強[1]。

激光衰減器的種類多種多樣，隨著激光器的不斷發(fā)展，激光能量衰減器的需求越來越大，各類研究報告層出不窮。據(jù)不完全統(tǒng)計，在2019—2021 年，在百度學(xué)術(shù)上發(fā)表的有關(guān)“激光衰減器”的報告有151 份；而1975—2021 年間，中國知網(wǎng)上發(fā)表的有關(guān)“激光衰減器”的學(xué)術(shù)期刊和學(xué)術(shù)論文共113 份?？梢娂す馑p器雖然是新出現(xiàn)的光學(xué)元件，百度百科在2015 年才記錄這個新名詞，但通過各類研究人士的不斷探索，這個產(chǎn)品領(lǐng)域已經(jīng)迎來了它的發(fā)展高峰期。全球現(xiàn)有的生產(chǎn)廠家有Agiltron、Trimatiz、Lightwaves2020、EpiPhotonics、Boston Applied Technologies、Mellanox、Adamant Namiki Precision Jewel 等。

現(xiàn)有的中國產(chǎn)激光衰減器多用手動調(diào)整，系統(tǒng)內(nèi)空回較大，降低了系統(tǒng)的精準(zhǔn)度；未采用全密封設(shè)計，灰塵容易進(jìn)入，對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響，且占用空間較大?；谶@種情況，文章設(shè)計了一種激光衰減器，基于偏振原理，通過閉環(huán)伺服電機精確控制來改變輸入本激光衰減器的光強，從而達(dá)到控制輸出激光的能量的目的。

1 總體設(shè)計方法

該衰減器由一個精密電動位系統(tǒng)和一組偏振光學(xué)元件組成，如圖1 所示。其中，偏振光學(xué)元件由布儒斯特角放置的水平偏振片和可繞法線旋轉(zhuǎn)的半波片組成，在布儒斯特角放置的偏振分光片前放入一個可繞其法線方向旋轉(zhuǎn)的λ/2 波片，利用步進(jìn)電機帶動λ/2 波片圍繞法線方向旋轉(zhuǎn)，讓入射光束2 個偏振分量的分解比發(fā)生改變，從而改變其通過組合裝置的透過率，達(dá)到出射光能量衰減的目的[2-4]。

圖1 衰減器原理

1.1 中空軸步進(jìn)電機

中空軸步進(jìn)電機是利用電磁鐵的工作原理，將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。詳細(xì)地說，當(dāng)步進(jìn)電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它可以驅(qū)動步進(jìn)電機在某個規(guī)定的方向上旋轉(zhuǎn)一定的角度。同時，步進(jìn)電機驅(qū)動器不僅可以通過控制脈沖信號的數(shù)量，從而控制角位移的大小，實現(xiàn)精確定位，還可以通過控制脈沖信號的頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，以達(dá)到速度控制的目的。

近年來，步進(jìn)電機在數(shù)字控制系統(tǒng)中變得非常普遍。因為其固有的特性使其可以直接接收數(shù)字信號，不必進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，所以效率得到了大大提升。在機械部件控制中，它不僅可以直接通過絲杠，將角度轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的線性位移，還可以通過調(diào)節(jié)電流或電壓來驅(qū)動螺旋電位器的工作，獲得對被控對象的精確控制[5]。

本激光衰減器中，中空軸步進(jìn)電機與激光入射孔同軸放置在偏振鏡片固定筒內(nèi)，鏡筒前部的內(nèi)徑與起偏振鏡片的外徑配合，套裝在起偏振鏡片外，后部的內(nèi)徑與中空軸步進(jìn)電機的中空軸外徑配合，套裝在中空軸的前端。步進(jìn)電機中，空軸內(nèi)腔圍繞法線方向旋轉(zhuǎn)時，就可以帶動半波片旋轉(zhuǎn)。通過中空軸步進(jìn)電機，可以減少電機轉(zhuǎn)動的空回，提高系統(tǒng)精度。

1.2 電機驅(qū)動系統(tǒng)

通過電機準(zhǔn)確控制起偏振鏡片角度可以實現(xiàn)連續(xù)的輸出能量衰減，激光在起偏振鏡片與檢偏振鏡片之間進(jìn)行二次衰減后到達(dá)需要的能量大小[6]。利用上位機軟件及電機驅(qū)動器可以實現(xiàn)對衰減倍率進(jìn)行設(shè)置、讀取以及顯示等。

磁鐵安裝架為圓筒形結(jié)構(gòu)，套裝在中空軸步進(jìn)電機的中空軸的后部，磁鐵塊固定在磁鐵安裝架內(nèi)壁的凹槽內(nèi)，且不與中空軸步進(jìn)電機的中空軸直接接觸；霍爾開關(guān)安裝架固定在中空軸步進(jìn)電機的后壁上；零點霍爾開關(guān)固定在霍爾開關(guān)安裝架上，并通過導(dǎo)線與磁鐵塊連接；電機驅(qū)動控制器包括驅(qū)動器和控制器，固定在驅(qū)動控制器固定結(jié)構(gòu)上，其中驅(qū)動器驅(qū)動中空軸步進(jìn)電機工作，控制器通過導(dǎo)線與零點霍爾開關(guān)連接，控制驅(qū)動器工作。

1.3 上位機界面設(shè)計

衰減系統(tǒng)的自動化控制主要由上位機發(fā)送相應(yīng)指令給下位機實現(xiàn)，上位機設(shè)計的可視化界面如圖2所示。

圖2 衰減系統(tǒng)調(diào)試界面

上位機系統(tǒng)接收相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出合適的衰減百分比，并通過串口通信程序發(fā)送指令到下位機，下位機收到指令后找到最適合的衰減組合作為衰減通道，此時步進(jìn)電機驅(qū)動半波片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，精確的脈沖信號個數(shù)可以準(zhǔn)確控制半波片的旋轉(zhuǎn)角度。另外，為了可以監(jiān)控半波片的位置并確保系統(tǒng)的高重復(fù)性，霍爾傳感器被置于空心軸步進(jìn)電機的后壁。程序通過檢測霍爾電壓的變化，來確定控制半波片的最初位置，由于輸入的脈沖信號個數(shù)是確定的，這樣可以使衰減器具有較高的重復(fù)性[7]。

1.4 光學(xué)偏振鏡片

偏振元件的特點是只允許沿偏振元件透振方向的光通過，而垂直于透振方向的光則被衰減。通過偏振元件的光，其光強滿足馬呂斯定律。根據(jù)這一基礎(chǔ)定律，可以使用高精度電機帶動偏振器件旋轉(zhuǎn)至一定角度，并以適當(dāng)?shù)姆绞綐?biāo)定角度與衰減系數(shù)之間的關(guān)系。

本衰減器的起偏振片為雙折射晶體做成的半波片，它可以使入射的光線產(chǎn)生π 奇數(shù)倍的相位延遲，通過半波片的線偏振光仍然為線偏振光。若入射線偏振光的振動方向與波片快軸夾角為α，則出射線偏振光的振動方向向著快軸（或慢軸）方向轉(zhuǎn)過2α角，圓偏振光入射時，則出射光為旋向相反的圓偏振光；檢偏振片是由布儒斯特角放置的偏振分光片，光在此界面上發(fā)生反射、折射時，反射光只有s 光沒有p 光，打在上方的陶瓷片上，消散了能量；而折射光由激光出射孔射出，這樣就實現(xiàn)了分光。

本衰減器中，檢偏振鏡片固定在固定架上，隨固定板的移動而移動；通過三頂三拉結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)固定板與起偏振鏡片的相對角度，進(jìn)而調(diào)整檢偏振鏡片與起偏振鏡片的法線夾角。優(yōu)選檢偏振鏡片與起偏振鏡片的法線夾角為56°，三頂三拉的連接形式采用3 個頂起彈簧螺釘和3 個牽拉螺釘。裝置使用時，控制電機執(zhí)行需要的衰減倍率對應(yīng)的角度值或碼值，當(dāng)2 個偏振鏡片中間的步進(jìn)電機中空軸內(nèi)腔圍繞法線方向旋轉(zhuǎn)時，就能改變激光光束的2 個偏振分量的分解比，從而改變激光通過組合裝置的透過率，即可實現(xiàn)對激光能量的連續(xù)、動態(tài)衰減[8]。

2 精度測試

2.1 控制精度測試

從系列產(chǎn)品中隨機抽樣的測試結(jié)果如表1 所示，以此作為測試示例。改變衰減率的大小，實時檢測通過衰減器后的激光能量大小，取10 次測試能量的平均值，并將測試結(jié)果與理論值進(jìn)行比較，作出能量隨衰減率的變化曲線如圖3 所示。

表1 控制精度測試數(shù)據(jù)

圖3 能量隨衰減率的變化曲線

當(dāng)激光衰減率為52%時，理論激光能量為25.2048 mJ，實測能量值為25.32 mJ；當(dāng)激光衰減率為68%時，理論激光能量為16.8032 mJ，實測能量值為16.67 mJ。若不考慮激光器穩(wěn)定性的影響，激光能量衰減偏差在微焦級別。

2.2 重復(fù)性測試

圖4 為從系列產(chǎn)品中隨機抽樣的測試結(jié)果，以此作為測試范例。在重復(fù)性測試中，采用電機轉(zhuǎn)動步數(shù)為自變參量，并監(jiān)測通過衰減器后的激光能量（衰減率和波片的轉(zhuǎn)動角度有關(guān)，而轉(zhuǎn)動角度是通過步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)來控制）測試曲線示例。

圖4 通過衰減器后的激光能量測試曲線

通過該曲線可看出，第一、二、三次測試曲線基本吻合，體現(xiàn)該樣機系統(tǒng)精度高、衰減系統(tǒng)可靠。主要精度參數(shù)如表2 所示。

表2 本產(chǎn)品主要精度參數(shù)

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，本激光衰減器解決現(xiàn)有技術(shù)中衰減器系統(tǒng)精度較差、可靠性較低以及占用空間大的技術(shù)問題，同時具有抗損傷閾值高、使用溫度環(huán)境寬等特點。

3 結(jié) 論

在技術(shù)水平上，本激光衰減器通過精密中空軸伺服步進(jìn)電機，減少了電機轉(zhuǎn)動的空回，提高了系統(tǒng)精度；可利用軟件控制，有可視化界面，操作簡便；具有高的抗損傷閾值、使用溫度環(huán)境寬；采用全密封設(shè)計，減少了灰塵對系統(tǒng)的影響，提高了可靠性，且節(jié)約了空間，使整個系統(tǒng)體積小巧、便于應(yīng)用。在此內(nèi)容基礎(chǔ)上，本產(chǎn)品的性能與其他衰減器相比也更為精密。因此，本產(chǎn)品在需要激光功率均衡或光強衰減的各種領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。